Особенности формирования диэлектрических покрытий ВЧ распылением

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

Особенности формирования диэлектрических покрытий ВЧ распылением

Дипломная работа

Исполнитель:

студент группы Ф-31 ___________ Иванеко А.В.

Гомель 2014



ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества, надежности и долговечности изделий является одной из основных задач стоящих перед промышленностью страны, которая еще более обостряется в условиях рынка и конкурентной борьбы с зарубежными производителями.

Качество изделий можно повысить несколькими путями -- с помощью конструктивных изменений, созданием новых материалов для их изготовления и приданием уже используемым материалам новых свойств. Применение первых двух путей неизбежно приводит к ухудшению ключевого потребительского свойства изделий -- их стоимости. В то же время, используемые в настоящее время материалы не имеют широких возможностей улучшения эксплуатационных характеристик изделий.

Наиболее перспективным путем улучшения эксплуатационных характеристик изделий является придание поверхностным слоям заданных свойств или направленная модификация поверхности. Результаты экспериментальных исследований процессов износа и разрушения различных изделий в процессе эксплуатации показали, что надежность изделия в процессе работы и срок службы наиболее часто определяются состоянием рабочей поверхности детали. При этом, оптимальным путем решения проблемы качества, надежности и долговечности является разработка способа модификации изделий, позволяющего детально учесть основные свойства поверхностного слоя, такие как шероховатость, дефектность, наличие внутренних напряжений, одновременно, учесть и рабочие свойства. связанные с применением изделия.

Традиционные методы модификации поверхностей изделий -- механические, термические, химические, химико-термические, электрохимические не позволяют комплексно улучшить характеристики поверхности. Основным недостатком традиционных методов модификации является то, что изменение одного из параметров поверхностного слоя в заданном направлении сопровождается, как правило, одновременным ухудшением нескольких других свойств.

Эффективным путем достижения оптимальной композиции свойств конкретного изделия является нанесение на его поверхность покрытия, которое добавляет или создает новые свойства поверхности. Фундаментальные систематические исследования этого направления .модификации в настоящее время ведутся различными авторами [1] - [4].

Наиболее перспективными для процессов напыления являются разрабатываемые в последние годы электрофизические методы получения покрытий. Однако, анализ показывает, что электроискоровое микролегирование, ионно-плазменное напыление, ионная имплантация, наплавка и плазменное напыление при атмосферном давлении, вакуумные методы осаждения имеют также ограниченные возможности с точки зрения придания поверхности изделий заданных свойств. Целый ряд основных свойств рабочих поверхностей изделий, определяемых конкретными направлениями их применения, эти процессы не могут улучшить даже в принципе. Так струйные плазменные методы напыления при атмосферном давлении обладая рядом существенных достоинств не позволяют получать высокоплотные покрытия, достаточно равномерные по толщине и требуют последующей дорогостоящей механообработки, а на некоторые материалы вообще не возможно нанести покрытия с требуемыми свойствами. Напыление в вакууме лишено этих недостатков, однако, малая скорость напыления не позволяет получать толстые пленки с высокой адгезионной прочностью.

Возможность совмещения достоинств этих методов может быть реализована с помощью струйного ВЧ плазмотрона в условиях динамического вакуума. Последние работы ряда авторов показали, что ВЧ плазменная обработка в диапазоне энергий от нескольких до 100 эВ является эффективным способом модификации поверхностей материалов органической и неорганической природы. Однако в настоящее время довольно ограниченно исследованы механизмы взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с материалами, а единый цикл модификации поверхности с помощью струйных ВЧ плазмотронов, заключающийся в сменяющих и сопровождающих друг друга процессах обработки и нанесения покрытий на поверхности в условиях динамического вакуума, оказался практически не исследованным.

Таким образом, исследование струйного метода нанесения покрытий при пониженном давлении и одновременной плазменной обработке формируемой пленки представляет несомненный научный и практический интерес. Детальная разработка этого способа модификации поверхности твердых тел обеспечит возможность регулировать рабочие свойства поверхностей изделий в широких диапазонах'.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы, стоящей перед промышленностью -- повышение долговечности, качества и надежности изделий путем направленного изменения рабочих свойств поверхностей изделий за счет нанесения покрытий с помощью струйных высокочастотных плазмотронов в условиях динамического вакуума.

В диссертации изложены работы автора в период 1991 -- 2001 г.г. по исследованию, разработке и внедрению технологических процессов струйного плазменного нанесения покрытий в динамическом вакууме и оборудования, позволяющих повысить качество и надежность изделий из металлов, полупроводников, диэлектриков, тонкопленочных структур.

Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете по программе Министерства образования РФ № 417 "Взаимодействия атомных частиц с поверхностью --* новые методы и технологии" по теме "Взаимодействие низкотемпературной плазмы ВЧ разряда с поверхностью твердых тел" 1992 - 2000 г.г.

В СКТБ "Мединструмент" работа была .начата в соответствии с постановлением Совета Министров СССР от 12.08.1988 № 997 "О первоочередных мерах по повышению технического уровня, увеличению производства изделий медицинской техники и улучшению обеспечения ими учреждений здравоохранения" в 1989 -- 1995 г.г. и в период до 2000 г. Продолжена по федеральной программе РФ "Развитие медицинской промышленности pi улучшение обеспечения лекарственными средствами и медицинской техникой на 1994 - 1996 года" согласно постановлению правительства РФ № 77 от 10.02.92 г. "О неотложных мерах по созданию МТ и увеличению ее производства в 1992 -- 1996 годах". Работа заканчивалась уже в рамках Федеральной целевой программы "Развитие медицинской промышленности в 1998 - 2002 годах и на период до 2005 года" по постановлению правительства РФ № 650 от 24.06.1998 г.

В первой главе дан обзор известных экспериментальных и теоретических результатов, методов исследований ВЧ разрядов пониженного давления. Проведен анализ наиболее распространенных методов нанесения покрытий и рассмотрены их возможности в формировании различных свойств изделий. Наиболее перспективными процессами нанесения покрытий являются электрофизические, которые свободны от многих недостатков, присущих традиционным методам. Однако, анализ показывает, что наплавка и плазменное напыление при атмосферном давлении, вакуумные методы нанесения покрытий, ионно-плазменное осаждение имеют также ограниченные возможности с точки зрения придания поверхности изделий заданных свойств.

На основе анализа информации по вопросам нанесения покрытий на поверхности с целью придания им определенных эксплуатационных, функциональных, защитных и технологических свойств сформулированы цель и основные задачи работы.

Во второй главе содержаться результаты экспериментальных исследований струйной ВЧ плазмы в условиях динамического вакуума в процессах обработки и нанесения покрытий на поверхности твердых тел. В исследуемом диапазоне (расход плазмообразующего газа от 0 до 0,3 г/с, мощность в разряде от 0,1 до 4 кВт, частота генератора от 1,76 МГц до 18 МГц) реализованы все виды и формы разрядов. Изучены энергетические, газодинамические и электрические параметры струйной ВЧ плазмы в динамическом вакууме. На основании их анализа разработан исследовательский комплекс (оборудование и методики измерений) для экспериментальных исследований параметров

ВЧ разрядов при обработке поверхностей и напылении пленок.

Анализ результатов исследования характеристик и определения основных параметров ответственных за модификацию позволили построить качественную физическую модель процесса образования покрытия: ионы транспортирующего газа вместе с частицами материала покрытия, бомбардируют поверхность подложки; ионы плазмы, ускоряясь в СПЗ, формируют поток с плотностью ионного тока от 0,3 до 30 А/м2 и приобретают энергию от 10 до 100 эВ; ионы, ударяясь о поверхность подложки с частицами материала покрытия, выносят с поверхности слабо закрепившиеся частицы покрытия и еще более плотно укрепляют хорошо осевшие частицы, которые и образуют в конечном итоге покрытие; этот процесс происходит непрерывно вплоть до прекращения напыления.

В третьей главе построена математическая модель обработки и нанесения покрытий струей неравновесной низкотемпературной плазмы с учетом слоя пространственного заряда для различных сорта плаз-мообразующего газа и метода подачи напыляемого материала. При распылении стержня из напыляемого материала и осаждении паров в потоке плазмы имеем однофазный многокомпонентный поток. При расплавлении и испарении порошкового материала, вдуваемого в разряд или в струю и осаждением его в потоке плазмы имеем многофазный многокомпонентный поток.

Численные расчеты позволили выявить диапазоны изменения концентрации электронов, их температуры и температуры тяжелых частиц при которых плотность ионного тока на поверхность подложки меняется от 0,3 до 25 А/м2, а энергия ионов бомбардирующих повех-ность от 10 до 100 эВ. Удалось получить зависимости характеристик струйной ВЧ плазмы в совместных сменяющих друг друга процессах обработки и нанесения покрытий на поверхность твердого тела от параметров установки.

В четвертой главе содержаться экспериментальные исследования подготовки поверхности подложек перед нанесением покрытий струйными ВЧ плазмотронами в динамическом вакууме и плазменной обработки в процессе нанесения.

В результате проведенных экспериментов по исследованию основных параметров ВЧ разряда (энергии ионов и плотности ионного тока) получены зависимости изменений структуры и свойств поверхности подложек от расхода плазмообразующего газа, давления,' мощности разряда, длительности обработки, расстояния от среза плазмотрона, вида газа и обрабатываемого материала. При этом значения основных обобщенных параметров энергии ионов W-L и плотности ионного тока ji, ответственных за обработку и за получение приемлемых выходных характеристик процесса для каждого материала заключены в определенный диапазон значений: для плазменной полировки Wj = 38 - 92 эВ, ji -- 1,0 - 10 А/м2; для плазменной очистки W.-L = 40 - 82 эВ, j.L = 0,5 -1,9 А/м2; для процесса образования на подложке переходных диффи-зионных слоев за счет добавки ракционноспособных газов Wt = 10 -30 эВ, ji = 20 - 25 А/м2. ' .

В пятой главе экспериментально исследованы характеристики покрытий,'получаемых с помощью струйных ВЧ плазмотронов в динамическом вакууме.

Тонкопленочные покрытия получались при испарении напыляемого материала с конца стержня вводимого аксиально по течению потока, а толстопленочные -- при испарении частиц материала, подаваемого в виде порошка.

Процесс напыления с помощью струйного ВЧИ плазмотрона в динамическом вакууме объединяет достоинства двух существующих методов напыления: во-первых, струйного метода напыления покрытий при атмосферном давлении: отсутствие ограничений по размеру обрабатываемых изделий;

- высокая адгезионная прочность покрытия (до 450-Ю5 Н/м2);

- толщины тонкопленочных покрытий > 50 мкм;

- наивысшая группа механической прочности ("0" группа);

- высокие значения коэффициента использования материала 0,9); во-вторых, методов распыления и напыления при низких давлениях:

- равномерность покрытия по толщине (коэффициент неравномерности покрытия не превышал 0,5 % при толщине 10-С м);

- высокая скорость нанесения покрытия (максимальные скорости нанесения без появления капельной фазы для SiO2 :-- (2 - 3)-10~3 мкм/с, для А1203 -- (3 - 4) -10"4 мкм/с);

- возможность напыления покрытия на подложки из различных материалов; * *

- не требует дополнительной обработки после нанесения покрытий.

Синтезированы неотражающие оптические покрытия с помощью струйного ВЧИ плазмотрона низкого давления. Зависимость структуры поглощающего слоя от условий нанесения покрытий позволила уменьшить количество пленкообразующих материалов и сократить число слоев пленки до двух, получая при этом необходимые спектральные характеристики.

Шестая глава посвящена разработке технологических процессов напыления. Предложен технологический процесс нанесения покрытий с помощью струйных ВЧ плазмотронов в условиях динамического вакуума, позволяющий за счет совмещения сменяющих друг друга процессов обработки и напыления регулировать соотношение свойств системы покрытие-подложка.

Созданы технологические процессы изменения поверхностных слоев металлов, полупроводников, диэлектриков и тонкопленочных покрытий путем воздействия неравновесной низкотемпературной плазмы инертных, активных газов и их смесей. Данные технологические процессы могут применяться как для подготовки поверхности под напыление (очистка, удаление рельефного и трещиноватого слоев, создание переходного слоя), так и самостоятельно.

Различные степени подготовки поверхностей корпусов изделий перед напылением и нанесение покрытий на поверхности деталей из силумина и Д16Т (веретено прядильной машины) внедрена в НИИТ "Насосмаш", из латуни (стерилизаторы и канюли) и стали 12Х18Н10Т микрохирургический инструмент) в СКТБ "Мединструмент", из полупроводниковых пластин Si и AI2O3 (микросхемы) в КНИИРЭ, а из ситалла и стекла К8 -- в Федеральном научно-производственном государственном центре Государственный институт прикладной оптики (ФНПЦ ГИПО).

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованные технологические разработки, обеспечивающие решение ряда важнейших прикладных задач машиностроения, медицинской промышленности, микроэлектроники и оптики, имеющих большое народно-хозяйственное и социальное значение и заключающихся в создании комплекса новых процессов обработки и нанесения покрытий на поверхности и специального оборудования для улучшения эксплуатационных, потребительских, защитных и технологических свойств изделий, с помощью струйного ВЧ плазмотрона в динамическом вакууме.

1. Физико-технические особенности ВЧ распыления материалов в электронной технике

Высокочастотное распыление удобнее выполнять по трехэлектродной схеме, так как в двухэлектродной схеме в полупериод положительного потенциала на катоде имеет место распыление анода и пленки на подложке.

Трехэлектродная система распыления.

Для повышения чистоты получаемой на подложке пленки процесс ионно-плазменного распыления необходимо проводить при как можно меньшем давлении рабочего газа. Однако, понижение давления приводит к тому, что при большой длине свободного пробега электронов вероятность их столкновения с атомами рабочего газа становится ничтожно малой, и газовый разряд гаснет. Поэтому для поддержания разряда в камере и обеспечения распыления мишени при низких давлениях необходимы специальные меры.

Одним из вариантов решения проблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображенной на рис. 3. Цифрами на рисунке обозначены: 1 - термокатод; 2 - анод; 3 - мишень; 4 - подложка; 5 - подложкодержатель. Таким образом, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень, потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт.



Рис 3. Трехэлектродная система распыления

По достижении в камере вакуума порядка10-4 Па термокатод разогревают и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05 - 1 Па. В результате термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем. При напряжении между термокатодом и анодом порядка 100 В возникает несамостоятельный газовый разряд, при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом разряде, и ускоряет их. В результате бомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыленные атомы осаждаются на подложке, формируя тонкую пленку. Такие трехэлектродные системы, в которых электрические цепи разряда и распыления разделены и управляются независимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скорость осаждения составляет единицы нанометров в секунду, что в несколько раз превышает аналогичный показатель для двухэлектродной схемы катодного распыления.

Дальнейшее развитие трехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионных источников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечивается перепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.

1.1 Вакуумно-плазменные методы получения функциональных покрытий

Процесс нанесения покрытия на поверхность материала определяется как его свойствами, так и спецификой протекания процессов формирования покрытия. Исходя из выше сказанного, все методы нанесения покрытий можно разделить на две группы.

В первую группу входят методы химического осаждения покрытий из парогазовой фазы (ХОП). Формирование покрытия осуществляется вследствие химических реакций между парогазовыми смесями, состоящих из соединения металлоносителя и носителя второго компонента, являющегося как газотранспортером, так и восстановителем. В процесс формирования покрытия вносят вклад и структура поверхности инструментального материала, и гетеродиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. Этот метод применяется при нанесении покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов титана, оксида алюминия. Метод ХОП реализуется при температурах 1000-1100 оС, этот факт исключает возможность нанесения покрытий данным методом на инструменты из быстрорежущих сталей, которые были подвергнуты термической обработке [6].

Существует ряд недостатков метода ХОП:

взрывоопасность и токсичность водорода, как газа-носителя

наличие большего количества непрореагировавших компонентов

сложность технологического оборудования

внутреннее напряжение в слое покрытия

невозможность нанесения покрытия на инструмент, имеющий острые режущие кромки

Вторая группа - это методы физического осаждения покрытий (ФОП). К этим методам относятся: метод получения тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой (РИБ); метод генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением (МТИ).

Суть метод РИБ состоит в следующем:

В вакууме, под действием ионизирующего излучения заданной энергии, осуществляется бомбардировка материала, формирующего покрытие (мишень), что приводит к частичной или полной его ионизации. В качестве данного материала могут выступать металлы (включая тугоплавкие), сплавы (в том числе и многокомпонентные), полупроводники.

Происходит ионное распыление, то есть ионы материала падают на рабочую поверхность режущего инструмента (подложку), тем самым, производя процесс формирования покрытия.

Данный метод реализуется при давлениях 1-10 Па и напряжениях 0,3- 5 кВ.

Возможны два метода ионного распыления: ионно-лучевое и плазмоионное распыление. При ионно-лучевом распылении выбивание атомов мишени происходит под действием бомбардировки ее поверхности ионными лучами определенной энергии. Тут не требуется подача на мишень отрицательного потенциала.

При плазменном распылении мишень из распыляемого материала находится в сильно ионизированной плазме под отрицательным потенциалом и играет роль катода. Положительные ионы под действием электрического поля вытягиваются и бомбардируют мишень, вызывая ее распыление.

Существуют следующие разновидности плазменного распыления: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельном газовом разряде.

Катодное распыление. Метод осуществляется следующим образом.

Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивается до давления 10-4 Па, после чего производится напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которого является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки.

Данный метод распыления может быть осуществлен и по другой схеме - диодной схеме распыления, отличительным признаком которой является то, что при распылении катод является как источником распыляемого материала, так и источником электронов, поддерживающих разряд, анод также принимает участие в создании заряда, одновременно являясь подложкодержателем.

Преимущества метода катодного распыления в следующем:

безынерционность процесса

низкие температуры процесса

возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)

сохранение стехиометрического исходного материала при напылении

возможность получения равномерных по толщине пленок

Метод имеет недостатки:

низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)

загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях

низкая степень ионизации осаждаемого вещества

Магнетронное распыление. Является разновидностью метода нанесения тонких пленок на основе тлеющего разряда. Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распыления диодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхности мишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно Ar), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда.

В магнетронной распылительной системе катод (мишень) помещается в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Магнитное поле позволяет локализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени.

Суть метода состоит в следующем (Рис.3), в систему анод-катод подается постоянный электрический ток (2-5 А), который приводит к возникновению между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) неоднородного электрического поля и возбуждению аномального тлеющего разряда. Электроны, выбитые из катода под действием ионной бомбардировки, подвергаются воздействию магнитного поля, возвращающего их на катод, с одной стороны, с другой - поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Это приводит к тому, что электроны совершают сложное циклическое движение у поверхности катода. При движении электроны многократно сталкиваются с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к возрастанию интенсивности ионной бомбардировки мишени, а следовательно и к возрастанию скорости распыления.

Преимущества метода:

высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600-800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (510-1 -10 Па)

отсутствие перегрева подложки

малая степень загрязнения пленок

возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площади подложек

Высокочастотное распыление. Данный метод применяется в том случае, если материалом мишени является диэлектрик. Для распыления диэлектрика необходимо периодически нейтрализовать положительный заряд на нем. Для этого к металлической пластине, расположенной непосредственно за распыляемой диэлектрической мишенью, прикладывают напряжение с частотой 1-20 МГц.

Плазменное распыление в несамостоятельном разряде. В распылительных системах данного типа горение газового разряда поддерживается дополнительным источником (магнитное поле, высокочастотное поле).

Преимущества метод РИБ:

сохранение стехиометрического состава пленок при распылении многокомпонентных сплавов

высокий коэффициент использования распыляемого вещества

возможность получения равномерных по толщине покрытий на подложке большей площади

высокая адгезия пленок

Сущность МТИ состоит в том, что в специальных испарителях вещество нагревают до температуры, при которой начинается заметный процесс испарения.

Все испарители отличаются между собой в зависимости от способа нагрева испаряемого вещества: резистивного, индукционного, электродугового и др.

Резистивное испарение. Тут тепловую энергию для нагрева вещества получают за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель.

Электродуговое испарение. Нагрев катода с последующей эмиссией электронов, осуществляется по средствам зажигания в вакуумной камере электродуги (Рис.4). Особенностью данного метода является то, что электрический ток, создающий дугу, подается в цепь, содержащую катод (отрицательный потенциал) и корпус вакуумной камеры (положительный потенциал). Электрическая дуга производит локальный разогрев поверхности катода, в результате чего последняя, переходя в жидкостную фазу, и в виде капель распространяется по объему вакуумной камеры. Капельная фаза приводит к неоднородности химического состава покрытия. Для уменьшения брызгового эффекта производится тщательная предварительная дегазация катода.

Преимущества метода нанесения тонких пленок вакуумным электродуговым методом:

возможность регулирования скорости нанесения покрытия путем изменения силы тока дуги

возможность управлять составом покрытия, используя одновременно несколько катодов или один многокомпонентный катод

высокая адгезия покрытий

возможность получения тонких пленок металлов, вводя в камеру реакционный газ

Основные преимущества МТИ в следующем:

возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок

простота реализации

высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарению мощности

возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения

Методы ФОП, несмотря на некоторые присущие им недостатки (например, невозможность осаждения покрытий в больших углублениях и сложность нагрева подложки в вакууме), в целом наиболее перспективны для нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты. Связано это, во-первых, с возможностью точного регулирования технологических процессов и их полной автоматизации. Во-вторых, низкая температура процесса позволяет обрабатывать любые инструментальные материалы и при этом достигать высокой адгезии покрытия с основой. В-третьих, высокая скорость формирования покрытия. И, наконец, метод ФОП безопасен для окружающей среды и экономически выгоден [6].

распыление диэлектрик катодный плазменный



2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР ВЧ РАСПЫЛЕНИЕМ

2.1 Особенности методов ВЧ распыления диэлектриков

Для высокочастотного и реактивного ионного распыления используют как обычные диодные, так и магнетронные системы.

Высокочастотное распыление начали применять, когда потребовалось наносить диэлектрические пленки. В предыдущей главе предполагалось, что распыляемое вещество - металл. При этом ударяющийся о мишень ион рабочего газа нейтрализуется на ней и возвращается в вакуумный объем рабочей камеры.

Если же распыляемый материал - диэлектрик, то положительные ионы не нейтрализуются и за короткий промежуток времени после подачи отрицательного потенциала покрывают слоем мишень, создавая на ее поверхности положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле мишени, находящейся под отрицательным потенциалом, и дальнейшее распыление становится невозможным, так как ионы из разряди но притягиваются к мишени.

Для того чтобы обеспечить распыление диэлектрической мишени, приходится нейтрализовать положительный заряд на ее поверхности подачей высокочастотного (ВЧ) переменного потенциала. При этом в системе распыления, которая представляет собой диодную систему (Рисунок 5, а, б) с катодом 2, окруженным экраном 1 (анодом может служить вакуумная камера), происходят следующие процессы.

Так как в плазме положительного столба 4 содержатся равные количества иолов и электронов, при переменной поляризации мишени по время отрицательного полупериода (Рисунок 5, а) она притягивает ионы 3. Ускоренные ионы бомбардируют и распыляют диэлектрическую мишень, одновременно передавая ей свой заряд. При этом мишень накапливает положительный заряд и интенсивность распыления начинает снижаться. Во время положительного полупериода (Рисунок 5, б) мишень притягивает электроны 5, которые нейтрализуют заряд ионов, превращая их в молекулы 6. В следующие отрицательный и положительный полупериоды процессы повторяются и т.д.

В промышленных установках ВЧ распыление ведется на единственной разрешенной частоте 13,56 МГц, которая находится в диапазоне радиосвязи. Поэтому иногда ВЧ распыление называют радиочастотным.

Реактивное распыление применяют для нанесения пленок химических соединений (оксидов, нитридов). Требуемое химическое соединение получают, подбирая материал распыляемой мишени и рабочий газ.

При этом методе в рабочую камеру в процессе распыления вводят дозированное количество так называемых реактивных (химически активных) газов. Причем для нанесения пленок оксидов и нитридов в рабочий газ - аргон - добавляют соответственно кислород и азот. Основными условиями при получении требуемых соединений является тщательная очистка реагентов и отсутствие натекания, а также газовыделения в камере.



Рисунок 5. Схемы высокочастотного распыления при отрицательном (а) и положительном (б) полупериодах напряжения:

7 - экран, 2 - катод, 3 - ионы, 4 - плазма, 5 - электроны, б - молекулы

Недостаток реактивного распыления - возможность осаждения соединений на катоде, что существенно уменьшает скорость роста пленки.

При реактивном распылении реакции могут протекать как на мишени, так и в растущей пленке, что зависит от соотношений реактивного газа и аргона. В отсутствие аргона реакции происходят на мишени. При этом разряд протекает вяло, так как большинство атомов реактивного газа расходуется на образование на поверхности мишени соединений, которые препятствуют распылению. Чтобы реактивные процессы проходили на подложке, количество реактивного газа не должно превышать 10%; остальное составляет аргон.

При реактивном распылении кремния напускаемый в рабочую камеру кислород взаимодействует с конденсирующими на поверхности подложки атомами кремния, в результате чего образуется пленка SiO2.

При нанесении реактивным распылением диэлектрических пленок нитрида кремния Si3N4 происходит аналогичный процесс. В рабочую камеру напускают тщательно осушенный и очищенный от кислорода аргон с добавкой азота. Ионы этих газов, бомбардируя кремниевый катод, выбивают из него атомы кремния и на подложке вследствие большой химической активности ионизированных атомов азота образуется пленка нитрида кремния Si3N4, отличающаяся высокой химической стойкостью.

Так как условия реакции при нанесении диэлектрических пленок существенно зависят от постоянства в рабочем газе процентного содержания напускаемого реактивного газа, необходимо строго следить за его подачей. Напуск газов в рабочую камеру обычно производят двумя способами:

вводят оба газа (аргон и реактивный) из магистралей или баллонов, контролируя расход реактивного газа микрорасходомером и поддерживая постоянное давление; вводят заранее подготовленную определенного состава рабочую смесь газов из резервуара.



Различают низкочастотное и высокочастотное распыление. Первое относится к диапазону частот в десятки кгц; оно обладает относит, большой производительностью п практнч. Механизм распыления связан с образованием поверхностных волн большой амплитуды, от гребней к-рых отрываются маленькие капельки. Высокочастотное распыление осуществляется в ультразвуковом фонтане и имеет кавитациониый характер. [2]

Устройства высокочастотного распыления не всегда строятся по. Распространены более простые двухэлектродные установки типа представленной на рис. 2.13, где на мишень / подают высокочастотное напряжение, вызывающее высокочастотный разряд. В нем может быть получена высокая концентрация ионов даже при низком давлении газа, характерном для ионно-плазменного напыления. Это объясняется тем, что период высокочастотного напряжения меньше времени пролета электронов от подложек до мишени и они долго находятся в средней части разрядного пространства, совершая колебательные движения и эффективно ионизируя газ. Для увеличения длины пути электронов и концентрации генерируемых ими ионов прикладывают магнитное поле, направленное по оси разряда. [3]



Методом реактивного катодного высокочастотного распыления выращиваются в кислородной среде эпитаксиальные пленки на подложках из монокристаллов MgAbCU, близкие по свойствам к монокристаллам. [4]

При высокочастотном распылении диэлектрик непосредственно переносится с катода на подложку. [5]

При высокочастотном распылении нет необходимости нагревать подложки, так как наивысшая скорость осаждения при высокочастотном распылении достигается при температуре подложки, равной 40 С. [6]

Широкое применение нашли модифицированные системы высокочастотного распыления, в которых источником ионов является плазма высокочастотного разряда. [7]

Для распыления диэлектриков применяется так называемое высокочастотное распыление, при котором потенциал прикладывается к проводящему электроду, находящемуся за непроводящей мишенью. [8] Схема высокочастотного плазмотрона для распыления диэлектриков.| Схема рабочего узла электродинамического плазменного ускорителя. / - вакуумная камера. 3-к конденсаторной батарее и высоковольтному выпрямителю. 3 - центральный стержневой электрод. 4-наружный цилиндрический электрод. 5 -металлизируемая деталь.

Имеются возможности получать диэлектрические пленки методом вакуумного высокочастотного распыления на установке диодного типа при горизонтально расположенной мишени. [9]

Для получения пленок диэлектриков и полупроводников применяют высокочастотное распыление. Оно позволяет проводить катодное распыление при пониженных давлениях и повышает скорость осаждения. [10]

Для получения пленок диэлектриков и полупроводников применяют высокочастотное распыление, так как в диодных системах на постоянном токе поверхность катода заряжается положительными ионами и дальнейшая бомбардировка катода прекращается. Поэтому распыление проводят при переменном ВЧ напряжении. При отрицательной полуволне напряжения на диэлектрическом катоде происходит обычное катодное распыление, при положительной полуволне напряжения накопленный на катоде положительный заряд нейтрализуется вытягиваемыми из плазмы электронами. [11]

В последнее время ведутся интенсивные исследования метода высокочастотного распыления по трехэлектродной системе. Получены положительные результаты по распылению кварца и других материалов. [12]

Тоикопленочные диэлектрики на основе окислов, полученных высокочастотным распылением. [13]

Как при ионно-плазменном, так и при высокочастотном распылении в разрядном промежутке наводится магнитное поле. Под его воздействием электроны двигаются вдоль силовых линий; при этом увеличивается вероятность ионизации молекул рабочего газа, возрастает ионный ток и увеличивается скорость распыления. Правда, воздействие магнитного поля приводит к некоторой неравномерности плотности ионов, и, как следствие, к неоднородности пленок по толщине. [1]

Одной из основных разновидностей методов катодного распыления является высокочастотное распыление, которое используется главным образом для получения диэлектрических пленок. Этот метод позволяет нейтрализовать заряд, который накапливается на диэлектрике в результате его бомбардировки ионами, и обеспечить интенсивное распыление диэлектрика. [2]



Установка УВН-62П-3 предназначена для нанесения диэлектрических пленок способом высокочастотного распыления в вакууме на полупроводниковые или ситалловые подложки. Управление технологическим процессом распыления обеспечивается в ручном режиме. Откачка внутрикамерного устройства происходит в ручном или автоматическом режиме. За один вакуумный цикл наносится пленка на 98 полупроводниковых подложек диаметром до 60 мм или ситалловых подложек размером 60x48x0 5 мм. [3]



На рис. 1 - 8 показана основная часть установки для высокочастотного распыления диэлектриков. На этой установке диэлектрик бомбардируется поочередно ионами и электронами тлеющего разряда, возникающего в газе при воздействии на него высокочастотного поля. Ионы выбивают из диэлектрика молекулы, которые затем осаждаются на подложке. Электроны предотвращают образование на подложке положительных зарядов. Образование электронов и ионов происходит в заполненном аргоном пространстве, окружающем диэлектрик, который служит материалом для осаждения. [4]

Для получения таких пленок используют анодирование, термовакуумное напыление, реактивное ц высокочастотное распыление. [5]

Так, для изготовления диэлектрических пленок в 1962 году была предложена система высокочастотного распыления, особенностью которой является попеременная бомбардировка мишени ионами и электронами. При ионной бомбардировке осуществляется распыление диэлектрической мишени, а накапливающийся на ней положительный заряд нейтрализуется электронами во второй полупериод приложенного напряжения. [6]

Точки 1 относятся к результатам для пленок Si: H, полученных высокочастотным распылением ( ВЧР) в смеси газов Аи Н2 с водоохлаждае-мой подложкой, а точки 2 характеризуют те же пленки, но с температурой подложки 250 С. Быстрое уменьшение спиновой плотности с увеличением содержания Н происходит благодаря повышению гибкости жесткой структуры аморфного кремния с координационным числом 4 за счет введения водорода с координационным числом 1, о чем упоминалось выше. [7]

Существуют два метода вакуумного осаждения стекол - реактивное распыление на постоянном - токе и высокочастотное распыление. [8]

При высокочастотном распылении нет необходимости нагревать подложки, так как наивысшая скорость осаждения при высокочастотном распылении достигается при температуре подложки, равной 40 С. [9]

В процессе дискуссии на конференции по тонким пленкам ( Бостон, 1969 г.) было установлено, что пленки, полученные методом высокочастотного распыления имеют включения ионов инертного газа. [10]

В тонкопленочной технологии используются различные технологические методы нанесения тонкопленочных структур: термовакуумное напыление, катодное распыление, реактивное распыление в среде остаточных молекул реактивного газа, ионноплаз-менное распыление, высокочастотное распыление. [11]

Третий вариант многослойной коммутации предполагает использование для верхнего и нижнего слоев коммутации алюминия, осажденного термическим вакуумным испарением, а для изоляции - слой SiO2 толщиной 1 5 - 2 мкм, полученный методом высокочастотного распыления при температуре подложки 100 С. [12]



В настоящее время относительно коэффициентов распыления металлов имеется много сведений, однако подобных данных для диэлектриков, особенно в области энергий, интересных с точки зрения нанесения тонких пленок, совершенно недостаточно. При высокочастотном распылении приходится иметь дело с широким спектром энергий бомбардирующих ионов, что делает невозможным получение надежных результатов по зависимости коэффициента распыления от энергии. Применение ионных пучков облегчает решение задачи, если используется чувствительный метод определения параметров распыленных атомов и известен потенциал, под которым находится облучаемая поверхность диэлектрика. Коэффициенты распыления для диэлектриков обычно меньше, чем для металлов ( см. гл. [1]

В [155] высокочастотному распылению подвергались три катода - мишени из ( Pb, Sn) Te в виде симметрично расположенных водоохлаждаемых дисков дааметром от 5 до-12 5 см. Кроме того, для компенсации улетучивания теллура из нагретой подложки использовался дополнительный катод из теллура. Система откачивалась высоковакуум-лым турбомолекулярным насосом, аргон подвергали очистке титановым геттером, подложки предварительно прогревали до 400 С в течение 30 мин сначала в вакууме, а затем в атмосфере аргона. [2]

В [155] высокочастотному распылению подвергались три катода - мишени из ( Pb, Sn) Te в виде симметрично расположенных водоохлаждаемых дисков диаметром от 5 до-12 5 см. Кроме того, для компенсации улетучивания теллура из нагретой подложки использовался дополнительный катод из теллура. Система откачивалась высоковакуум-лым турбомолекулярным насосом, аргон подвергали очистке титановым геттером, подложки предварительно прогревали до 400 С в течение 30 мин сначала в вакууме, а затем в атмосфере аргона. [3]

Как мы уже знаем, катодный юк является лучшим параметром, по которому в случае ионного распыления на постоянном токе можно судить о скорости нанесения. Однако этот метод контроля неприемлем при высокочастотном распылении. Дело в том, что высокочастотный ток мишени трудно измерить и, помимо этого, его величина не связана простой зависимостью с числом ионов, падающих на мишень. [4]

Первый вид дает большую концентрацию акустической энергии в небольшом объеме и поэтому применяется для исследовательских целей и в медицинской практике для ультразвуковой хирургии. Для технологических целей сферические излучатели применяют в тех случаях, когда подлежащие облучению детали окунаются на сравнительно короткое время в ультразвуковую ванну, а также для высокочастотного распыления жидкостей. [5]



Иоргенсон и Венер [60] методом ленгмюровского зонда измеряли пороговые энергии распыления диэлектриков. Характеристики зонда весьма чувствительны к осаждению на его поверхность диэлектрических пленок, так как последние изменяют работу выхода электронов и количество приходящих на зонд электронов. На поверхность зонда высокочастотным распылением наносится тонкая диэлектрическая пленка. Такая тонкая пленка имеет достаточно высокую электропроводность с тем, чтобы ее можно было удалить, прикладывая к зонду постоянное напряжение смещения. Для различных напряжений смещения требуется разное время для удаления диэлектрических пленок одинаковой толщины. Процесс снятия диэлектрической пленки контролируется по зондовым характеристикам. Таким образом, этот метод является весьма чувствительным и может быть использован для получения данных по коэффициентам распыления на постоянном токе. На рис. 7 приведены результаты подобных измерений для SiOz, распыляемой ионами аргона. [6]

Попытка количественного сравнения различных методов нанесения покрытий в вакууме предпринята авторами работы [245], причем в каждом из методов учтены их разновидности. Так, метод термического напыления рассмотрен с точки зрения резистивного метода нагрева испаряемого материала, электронно-лучевого и взрывного с непрерывной догрузкой тигля порошком испаряемого материала. В методе катодного распыления рассмотрены обычное высокочастотное распыление и высокочастотное распыление при наличии отрицательного потенциала на подложке. Метод ионного осаждения представлен процессами с применением плазмы, получаемой в разряде постоянного напряжения и в высокочастотном поле, причем каждая из этих разновидностей рассмотрена с точки зрения резистивного и электронно-лучевого испарителя. [7]

При изготовлении различных элементов приборов часто возникает необходимость получать диэлектрическую пленку контролируемой толщины. Для распыления диэлектриков применяют так называемое высокочастотное распыление. Процесс характеризуется тем, что потенциал поверхности мишеней автоматически оказывается отрицательным по отношению к разряду, что приводит к бомбардировке мишени положительными ионами плазмы. Благодаря большой универсальности и другим достоинствам этот метод находит все большее применение. [8]

Попытка количественного сравнения различных методов нанесения покрытий в вакууме предпринята авторами работы [245], причем в каждом из методов учтены их разновидности. Так, метод термического напыления рассмотрен с точки зрения резистивного метода нагрева испаряемого материала, электронно-лучевого и взрывного с непрерывной догрузкой тигля порошком испаряемого материала. В методе катодного распыления рассмотрены обычное высокочастотное распыление и высокочастотное распыление при наличии отрицательного потенциала на подложке. Метод ионного осаждения представлен процессами с применением плазмы, получаемой в разряде постоянного напряжения и в высокочастотном поле, причем каждая из этих разновидностей рассмотрена с точки зрения резистивного и электронно-лучевого испарителя. [9]

Для локализации плазмы и тлеющего разряда в установках применяют диэлектрические экраны. В связи с возможностью значительного повышения температуры подложки из-за большой энергии распыленных частиц в установках ионного распыления предусматривается охлаждение подложек. За счет бомбардировки ионами и за счет высокочастотных потерь при высокочастотном распылении также возможен чрезмерный нагрев мишени. И в этом случае предусматривается охлаждение, обычно водой. [10]

Методы позволяют наносить самые тугоплавкие и недостаточно стабильные соединения с сохранением их стехиометрического состава, нанесение которых термовакуумными методами невозможно. Находят применение системы с автономными ионными источниками. Системы распыления на постоянном токе используются для нанесения покрытий из проводящих электрический ток материалов системы высокочастотного распыления - из диэлектриков. [11]

Методы позволяют наносить самые тугоплавкие и недостаточно стабильные соединения с сохранением их стехиометрического состава, нанесение которых термовакуумными методами невозможно. Находят применение системы с автономными ионными источниками. Системы распыления на постоянном токе используются для нанесения покрытий из проводящих электрический ток материалов, системы высокочастотного распыления - из диэлектриков. [12]

Было установлено, что, в отличие от упомянутых выше соединений тантала или титана, для получения высококачественных пленок нитрида кремния необходимы низкие давления распыляющих газов. Следовательно, в этом случае необходимо использовать либо тлеющий разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией [109], либо высокочастотное распыление [ НО ], По-видимому, для распыления будет достаточным давление ниже ( 5 - 10) - 10 - 3 мм рт. ст. Для получения хороших результатов, в противоположность случаю системы кремний - кислород, распыление нужно проводить в атмосфере чистого азота. Вероятно, это объясняется тем, что для образования нитрида кремния необходимо присутствие атомарного азота, поскольку хемосорбции молекул N2 на кремнии не происходит. Ионы N образуются главным образом в темном пространстве [111] или путем диссоциации N2 при ударе о поверхность катода. Следовательно, атомы азота могут попасть на подложку только тогда, когда они либо распыляются с поверхности мишени, возможно, из слоя нитрида кремния на поверхности мишени [109], либо отражаются от мишени после прохождения темного пространства. В обоих случаях атомы азота, падающие на подложку, должны испытать относительно небольшое число столкновений на пути от катода к подложке. [13]

Однако при использовании переменного напряжения высокой частоты заряд на поверхности диэлектрика может периодически нейтрализоваться электронами плазмы, которые имеют значительно более высокую подвижность, чем положительные ионы. Наличие или отсутствие на поверхности катода положительного заряда, влияющего на процесс распыления, зависит от амплитуды и частоты переменного напряжения, а также от конфигурации катода. Высокочастотное распыление может проводиться в любой системе для ионного распыления в тлеющем разряде или магнетронного распыления. Метод высокочастотного ионного распыления незаменим для осаждения тонких полупроводниковых и диэлектрических пленок. [14]

Различают низкочастотное и высокочастотное распыление. Первое относится к диапазону частот в десятки кгц; оно обладает относит, большой производительностью п практнч. Механизм распыления связан с образованием поверхностных волн большой амплитуды, от гребней к-рых отрываются маленькие капельки. Высокочастотное распыление осуществляется в ультразвуковом фонтане и имеет кавитациониый характер. [1]



Обычные методы катодного распыления не позволяют распылять диэлектрик. Это объясняется накоплением заряда на поверхности диэлектрика в процессе ионной бомбардировки, вследствие чего поле концентрируется у диэлектрика, а не в распыляющей газовой среде. При этом плотность потока ионов и их энергия настолько падают, что заметного распыления диэлектрика не происходит. Чтобы обойти это затруднение, был разработан метод высокочастотного распыления, который благодаря попеременному действию бомбардировки катода электронами и ионами позволяет распылять диэлектрические материалы. [2]

ВЧ, равно количеству электронов за время положительной полуволны. В этом случае за период происходит компенсация положительных и отрицательных зарядов. Режим работы становится устойчивым. Оптимальная частота изменения потенциала на мишени, обеспечивающая наивысшую скорость распыления, находится в диапазоне 10 - 20 МГц, а метод называют высокочастотным распылением. [3]

Разряд на постоянном токе нельзя использовать для распыления диэлектрических материалов, так как электроны должны непрерывно уходить с мишени во внешнюю цепь. Поэтому мишень должна быть проводящей. В этом случае электроны попеременно движутся то к электроду Э1, то к электроду Э2, производя на своем пути ионизацию газа. Для поддержания стационарного характера разряда необходимо, чтобы за время своей жизни каждый электрон произвел в среднем одну ионизацию. Роль электродов Э1 и Э2 сводится теперь лишь к созданию поля в газо - - разрядном промежутке, и их можно в принципе вынести за пределы разрядной камеры. В установках высокочастотного распыления эти электроды покрываются мишенями Ml и М2 из распыляемого диэлектрика. [4]

Плазма создается с помощью вспомогательных электродов - анода и подогревного катода, к которым приложено постоянное напряжение. Мишень и подложка располагаются в плоскостях, параллельных направлению напряженности постоянного поля. Скорость напыления зависит от мощности высокочастотного поля и от рода материала. Все напыленные пленки обнаруживают хорошую адгезию к алюминию и хрому; адгезия SiO2 и А12О3 к золоту и к меди значительно хуже. Структура пленок SiO2, А12О3 и Та2О5, осажденных на стеклянной подложке высокочастотным распылением, однородная и аморфная. У пленки НЮ2 обнаруживаются кристаллические включения. [5]

...